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SCIENTIFIC AMERICAN February 2020

The Enigma of Aerodynamic Lift

飛行機はなぜ飛べるのか いまだに残る揚力の謎

By Ed Regis E. レジス
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In December 2003, to commemorate the 100th anniversary of the first flight of the Wright brothers, the New York Times ran a story entitled “Staying Aloft; What Does Keep Them Up There?” The point of the piece was a simple question: What keeps planes in the air? To answer it, the Times turned to John D. Anderson, Jr., curator of aerodynamics at the National Air and Space Museum and author of several textbooks in the field.  2003年12月,New York Times紙はライト兄弟の初飛行100周年を記念して「空高く:彼らを空中に保持したのは何なのか?」と題する記事を掲載した。記事の主題はいたって単純な疑問だ。何が飛行機を空中に維持しているのか? それに答えるべく,同紙はこの分野の教科書を何冊か書いている米国立航空宇宙博物館の空気力学者アンダーソン(John D. Anderson)の知恵を借りた。
What Anderson said, however, is that there is actually no agreement on what generates the aerodynamic force known as lift. “There is no simple one-liner answer to this,” he told the Times . People give different answers to the question, some with “religious fervor.” More than 15 years after that pronouncement, there are still different accounts of what generates lift, each with its own substantial rank of zealous defenders. At this point in the history of flight, this situation is slightly puzzling. After all, the natural processes of evolution, working mindlessly, at random and without any understanding of physics, solved the mechanical problem of aerodynamic lift for soaring birds eons ago. Why should it be so hard for scientists to explain what keeps birds, and airliners, up in the air?  だが,「揚力」として知られるこの空気力学的な力を生み出しているのが何であるのか,一致した見解は実のところない,というのがアンダーソンの答えだった。「簡潔明快な答えはない」と彼は同紙に語っている。異なる答えが,ときに「宗教的ともいえる熱意」をもって語られている。その記事から15年以上たった現在もなお,揚力の起源について複数の異なる説明があり,それぞれにかなり熱狂的な支持者が存在する。
 この状況はいささか奇妙だ。何せ,進化という自然のプロセスは飛行の物理学を知らないまま無作為に働いて,鳥を飛ばすための揚力を生み出すという力学的問題を大昔に解決ずみなのだ。鳥を,そして飛行機を空中に維持しているのが何なのかを説明するのが現代の科学者にとってそんなに難しいというのは,いったいどういうことだ?
Adding to the confusion is the fact that accounts of lift exist on two separate levels of abstraction: the technical and the nontechnical. They are complementary rather than contradictory, but they differ in their aims. One exists as a strictly mathematical theory, a realm in which the analysis medium consists of equations, symbols, computer simulations and numbers. There is little, if any, serious disagreement as to what the appropriate equations or their solutions are. The objective of technical mathematical theory is to make accurate predictions and to project results that are useful to aeronautical engineers engaged in the complex business of designing aircraft.  この混迷を深めているのは,揚力の説明に2つの異なる抽象化レベルがあるという事実である。専門的レベルと非専門的レベルだ。両者は相いれないのではなく補完的なのだが,目的が異なる。一方は厳密な数学的理論として存在し,方程式と記号,数字,コンピューターシミュレーションを用いた解析の世界であり,適切な方程式とその解が何であるかについて,重大な不一致はほぼない。この専門的な数学理論の目的は,正確な予測を行い,飛行機の設計という複雑な業務に携わっている航空工学技術者の役に立つような結果を示すことだ。
But by themselves, equations are not explanations, and neither are their solutions. There is a second, nontechnical level of analysis that is intended to provide us with a physical, commonsense explanation of lift. The objective of the nontechnical approach is to give us an intuitive understanding of the actual forces and factors that are at work in holding an airplane aloft. This approach exists not on the level of numbers and equations but rather on the level of concepts and principles that are familiar and intelligible to nonspecialists.  だが,方程式そのものは説明ではないし,方程式の解でもない。そこで2番目の非専門的レベルの考察が存在する。揚力について,自然法則にかなった常識的な説明を提供しようとするもので,その目的は飛行機を空中に保持するのに働いている実際の力と要因をもっと直観的にわかりやすく理解することにある。このアプローチは数字と方程式のレベルではなく,専門家以外にも理解できるよく知られた概念と原理に基づいている。